第1章S7-1200PLC的硬件与硬件组态

1第1章S7-1200PLC的硬件与硬件组态21968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，期望找到一种新的方法，尽可能减少重新设计继电控制系统和重新接线的工作，以降低成本、缩短周期，设想把计算机通用、灵活、功能完备等优点和继电控制系统的简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程序逻辑控制器，在通用汽车公司的自动装配线上试用获得了成功。PLC的起源-13可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，最初只能进行计数、定时及开关量逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。于是，美国电器制造商协会将其正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。由于它与个人计算机(Personalcomputer)的简称PC相同，所以人们习惯上仍将其称为PLC。PLC的起源-241987年2月，国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。PLC的定义5PLC的基本结构PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。其硬件组成与微型计算机相似。工业自动控制中使用的可编程控制器的种类很多，不同类型的产品各有特点，但可编程控制器在组成、工作原理及编程方法等许多方面是基本相同的。6PLC控制系统示意图7PLC的特点1.2.功能强，性能价格比高3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4.可靠性高，抗干扰能力强5.系统的设计、安装、调试工作量少6.维修工作量小，7.体积小，能耗低8PLC的工作原理扫描过程9扫描周期PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描过程所需的时间称为扫描周期，典型值为1100ms。10I/O的存取通过I/O映像寄存器，而不是实际I/O，优点：1、程序执行阶段输入固定，执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统运行稳定；2、用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，可以提高程序的执行速度。过程映像寄存器11立即I/O的处理在程序执行的过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令写输出点时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。12S7-1200PLC(ProgrammableLogicController)是西门子公司推出的一款PLC，主要面向简单而高精度的自动化任务。S7-1200设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的PLC。CPU根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信。1.1S7-1200PLC简介131.1S7-1200PLC简介——S7-1200PLC在西门子PLC系列产品中的定位141.2S7-1200的硬件15电源接口可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）板载I/O的状态LEDPROFINET连接器（CPU的底部）1.2S7-1200的硬件——CPU模块指示CPU运行状态的LED161.2S7-1200的硬件——CPU模块技术规范特性CPU1211CCPU1212CCPU1214C本机数字量I/O本机模拟量输入点6I/4O28I/6O214I/10O2脉冲捕获输入点数6814扩展模块个数-28上升沿/下降沿中断点数6/68/812/12集成/可扩展的工作存储器集成/可扩展的装载存储器25KB/不可扩展1MB/24MB25KB/不可扩展1MB/24MB50KB/不可扩展2MB/24MB高速计数器点数/最高频率3点/100kHz3点/100kHz1点/30kHz3点/100kHz3点/30kHz高速脉冲输出点数/最高频率2点/100kHz(DC/DC/DC型)操作员监控功能无有有传感器电源输出电流/mA300300400外形尺寸/mm90100759010075111007517CPU的共性：•集成的24V传感器/负载电源可供传感器和编码器使用，也可以用做输入回路的电源。•集成的2点模拟量输入(010V)，输入电阻100k，10位分辨率。•2点脉冲列输出(PTO)或脉宽调制(PWM)输出，最高频率为100kHz。•有16个参数自整定的PID控制器。•4个时间延迟与循环中断，分辨率为1ms。•可以扩展3块通信模块和一块信号板，CPU可以用信号板扩展一路模拟量输出或高速数字量输入/输出。1.2S7-1200的硬件——CPU模块技术规范181.2S7-1200的硬件——CPU模块技术规范版本电源电压DI输入电压DO输出电压DO输出电流DC/DC/DCDC24VDC24VDC24V0.5A,MOSFETDC/DC/RelayDC24VDC24VDC530VAC5250V2A,DC30W/AC200WAC/DC/RelayAC85264VDC24VDC530VAC5250V2A,DC30W/AC200WCPU的3种版本：191.2S7-1200的硬件——CPU1214CAC/DC/Relay的外部接线图201.2S7-1200的硬件——CPU1214CDC/DC/DC的外部接线图211.2S7-1200的硬件——CPU1214CDC/DC/Relay的外部接线图221.2S7-1200的硬件——信号板SB(signalboard)通过信号板可以给CPU增加I/O。SB连接在CPU的前端。具有4个数字量I/O（2xDC输入和2xDC输出）的SB具有1路模拟量输出的SB231.2S7-1200的硬件——信号板SB1221接线图241.2S7-1200的硬件——信号板SB1222接线图251.2S7-1200的硬件——信号板SB1223接线图261.2S7-1200的硬件——信号板SB12321x模拟量输出接线图271.2S7-1200的硬件——信号模块SM(signalmodule)可以使用信号模块给CPU增加附加功能。信号模块连接在CPU右侧。281.2S7-1200的硬件——数字量I/O可以选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块，来满足不同的控制需要。291.2S7-1200的硬件——模拟量I/O在工业控制中，某些输入量(温度、压力、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(例如电动调节阀和变频器等)要求PLC输出模拟量信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量I/O模块的任务就是实现A/D和D/A。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电压或电流，例如420mA，15V，010V，PLC用模拟量输入模块的A/D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码来表示。模拟量输出模块的D/A转换器将PLC中的数字量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。A/D和D/A的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。301.2S7-1200的硬件——集成的PROFINET接口1/3实时工业以太网是现场总线发展的趋势，PROFINET是基于工业以太网的现场总线，是开放式的工业以太网标准，它使工业以太网的应用扩展到了控制网络最底层的现场设备。S7-1200与编程计算机的通信311.2S7-1200的硬件——集成的PROFINET接口2/3S7-1200与精简系列面板的通信321.2S7-1200的硬件——集成的PROFINET接口3/3利用工业以太网交换机CSM1277进行多设备的连接331.2S7-1200的硬件——通信模块(Communicationmodule)1/2有两种通信模块：CM1241RS232和CM1241RS485CPU最多支持3个通信模块各CM连接在CPU的左侧（或连接到另一CM的左侧）341.2S7-1200的硬件——通信模块(Communicationmodule)2/2在编程接口模式下利用CM1241进行点对点连接35SIMATICSTEP7Basic是西门子公司开发的高集成度工程组态系统，包括面向任务的HMI智能组态软件SIMATICWinccBasic。上述两个软件集成在一起，也称为TIA(TotallyIntegratedAutomation，全集成自动化)Portal，它提供了直观易用的编辑器，用于对S7-1200和精简系列面板进行高效组态。除了支持编程以外，STEP7Basic还为硬件和网络组态、诊断等提供通用的工程组态框架。STEP7Basic提供了两种编程语言(LAD和FBD)。有两种视图：Portal(门户)视图，可以概览自动化项目的所有任务；项目视图，将整个项目(包括PLC和HMI)按多层结构显示在项目树中。1.3编程工具STEP7Basic——特点361.3编程工具STEP7Basic——典型的自动化系统1/2典型的自动化系统包含以下内容：借助程序来控制过程的PLC；用来操作和可视化过程的HMI设备。371.3编程工具STEP7Basic——典型的自动化系统2/2TIAPortal可用来帮助您创建自动化系统，关键的组态步骤为：创建项目配置硬件联网设备对PLC编程组态可视化加载组态数据使用在线和诊断功能381.3编程工具STEP7Basic——工程组态系统可以使用TIAPortal在同一个工程组态系统中组态PLC和可视化。所有数据均存储在一个项目中，STEP7和WinCC不是单独的程序，而是可以访问公共数据库。所有数据均存储在一个公共的项目文件中。391.3编程工具STEP7Basic——数据管理在TIAPortal中，所有数据都存储在一个项目中。修改后的应用程序数据（如变量）会在整个项目内(甚至跨越多台设备)自动更新。401.3编程工具STEP7Basic——界面总览任务卡详细视图工作区巡视区设备或网络概览区编辑器栏411.3编程工具STEP7Basic——创建新项目“项目”“新建”，出现“创建新项目”对话框：421.3编程工具STEP7Basic——添加新设备双击项目树中的“添加新设备”：431.3编程工具STEP7Basic——参数设置“选项”“设置”：441.4硬件组态——组态的任务设备组态(configuring)的任务就是在设备和网络编辑器中生成一个与实际的硬件系统对应的模拟系统，包括系统中的设备(PLC和HMI)，PLC各模块的型号、订货号和版本。模块的安装位置和设备之间的通信连接，都应与实际的硬件系统完全相同。此外还应设置模块的参数，即给参数赋值，或称为参数化。自动化系统启动时，CPU比较组态时生成的虚拟系统和实际的硬件系统，如果两个系统不一致，将采取相应的措施。451.4硬件组态——添加模块在硬件组态时，需要将I/O模块或通信模块放置到工作区的机架的插槽内：用“拖放”的方法放置硬件对象；用“双击”的方法放置硬件对象。461.4硬件组态——过滤器如果激活了硬件目录的过滤器功能，则硬件目录只显示与工作区有关的硬件。例如用设备视图打开PLC的组态画面时，则硬件目录不显示HMI，只显示PLC的模块。471.